一種大高度微納結構的三維熔融靜電打印方法與流程

本發明涉及微納制造與增材制造技術領域，具體涉及一種大高度微納結構的三維熔融靜電打印方法。

背景技術：

熔融靜電打印是一種高精度的微納米纖維制造技術，該技術利用聚合物熔體在強電場下形成微納米纖維進行靜電直寫，結合傳統增材制造的原理與方法，通過層層堆積實現各種三維微納結構。該技術不僅具有纖維直徑小、纖維均一性好、能夠實現亞微米、納米尺度等優勢，而且可用于熔融靜電打印材料很多,包括從絕緣聚合物到導電聚合物,從無機高分子材料到生物材料，因此該技術在微納米器件、組織工程等領域有廣泛的應用前景。

但是由于打印工藝的限制，該技術在制作大高度三維微納結構方面仍存在一些問題：由于該技術是利用高壓靜電驅動實現纖維的沉積，隨著三維微納結構高度的不斷增加，電場強度也隨之改變，原有的打印工藝改變，使得可制作的三維微納結構高度有限，最大高度一般不超過2mm，不能用于構建較大高度的三維微納結構。

技術實現要素：

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種大高度微納結構的三維熔融靜電打印方法，能夠穩定、連續的打印出具有大高度的三維微納結構，可廣泛應用于微納米器件、組織工程等領域。

為了達到上述目的，本發明采取的技術方案為：

一種大高度微納結構的三維熔融靜電打印方法，包括以下步驟：

1)根據想要打印的復雜圖案或三維模型在計算機上編制出控制移動平臺的程序；

2)配置含導電介質溶液，含導電介質溶液質量濃度介于1～20％之間；

3)選取熔融靜電打印材料，熔融靜電打印材料包括聚己內酯、聚乳酸、聚丙烯、聚乳酸-羥基乙酸共聚物、乙烯/聚乙烯醇共聚物、尼龍系列聚合物的具有極性基團的高聚物，根據材料的熔點不同，確定電加熱圈或水油浴循環的加熱溫度，電加熱圈溫度范圍在40～500℃之間，油浴循環溫度范圍在40～200℃之間，水浴循環溫度范圍在40～100℃之間；

4)將步驟2)配制的含導電介質溶液和步驟3)選取的熔融靜電打印材料分別裝入含多個噴頭的熔融靜電打印裝置的注射器中,其中溶液打印噴頭用于將步驟2)中配置的含導電介質溶液以擠出的方式打印，熔融打印噴頭用于將步驟3)選取的熔融靜電打印材料以熔融靜電打印的方式打印；

5)根據所需要纖維的線寬，線寬尺寸在1～100μm之間，從而確定移動平臺的移動速度：1～300mm/s、熔融打印噴頭的型號：100～1000μm,以及高精密注射泵流量：5～1000ul/h，熔融靜電打印噴頭接正電壓，移動平臺上的接收平臺接地，調整熔融打印噴頭與接收平臺之間的距離：0.5～10mm之間，打開高壓電源，調整電壓至需要幅值：0.1～20kv；

6)將控制移動平臺的程序輸入主機，程序通過控制模塊控制運動平臺和熔融靜電打印噴頭實現層層堆積得到0.1～2mm的三維微納結構；

7)待完成單次打印的三維微納結構后，程序自動將熔融靜電打印噴頭切換到溶液打印噴頭，溶液打印噴頭將步驟2)中的含導電介質溶液以擠出的方式填充進步驟6)中所得的三維微納結構中，溶液填充高度稍微低于三維微納結構的高度，利用溫度交聯或者化學交聯的方法使含導電介質溶液成膠，含有導電離子的鹽溶液則不用進行交聯處理，形成新的接收平臺，程序自動將熔融打印噴頭與接收平臺之間的距離調高一個膠體的厚度：0.1～2mm；

8)根據控制移動平臺的程序，自動重復步驟6)和步驟7)，直到三維微納結構的高度達到所需高度，得到三維微納結構與電介質溶以及水凝膠的復合結構；

9)通過清洗、改變溫度或化學反應方式去除步驟8得到的復合結構內部的電介質溶液或水凝膠，得到大高度微納結構，還能夠獲得大高度微納結構與水凝膠的復合結構。

所述的步驟2)中含導電介質溶液包括各種含有導電離子的鹽溶液，鹽溶液包括氯化鈉溶液、氯化鈣溶液，或具有一定導電性能的凝膠-粒子混合溶液。

所述的凝膠包括溫度交聯的明膠和瓊脂糖、化學交聯的殼聚糖和海藻酸鈉、光交聯的聚乙二醇和明膠，或者這些材料的混合溶液。

本發明的有益效果為：

與現有的熔融靜電打印方法相比，本專利的優勢是通過向三維微納結構中填充可流動的導電介質溶液，使得在打印過程中導電的接收平臺動態升高，克服傳統熔融靜電打印工藝中電場隨高度升高而衰減的缺點，從而實現大高度三維微納結構的一體化制造。

附圖說明

圖1為實施例步驟6)得到的三維微納結構。

圖2為實施例步驟7)得到的三維微納結構。

圖3為實施例步驟8)得到的三維微納結構與電介質溶以及水凝膠的復合結構。

圖4為實施例步驟9)得到的三維微納結構。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細描述。

一種大高度微納結構的三維熔融靜電打印方法，包括以下步驟：

1)根據想要打印的復雜圖案或三維模型在計算機上編制出控制移動平臺的程序；

2)配置含導電介質溶液，所選用的含導電介質溶液為明膠和瓊脂糖相互混合后的溶液，質量濃度為5％和1.5％；

3)選取聚己內酯為熔融靜電打印材料，確定電加熱圈的加熱溫度為：70℃；

4)將步驟2)配制的明膠和瓊脂糖混合溶液和步驟3)選取的聚己內酯分別裝入含多個噴頭的熔融靜電打印裝置的注射器中,其中溶液打印噴頭用于將步驟2)中配置的含導電介質溶液以擠出的方式打印，熔融打印噴頭用于將步驟3)選取的材料以熔融靜電打印的方式打印；

5)選擇8μm作為纖維的線寬，從而確定移動平臺的移動速度：30mm/s、熔融打印噴頭的型號：400μm,以及高精密注射泵流量：100ul/h，熔融靜電打印噴頭接正電壓，移動平臺上的接收平臺接地，調整熔融打印噴頭與接收平臺之間的距離：3mm，打開高壓電源，調整電壓至需要幅值：3kv；

6)將控制移動平臺的程序輸入主機，程序通過控制模塊控制移動平臺和熔融靜電打印噴頭實現層層堆積得到三維微納結構，打印層數為100層，即單次打印微納結構高度為1mm，如圖1所示；

7)待完成單次打印的三維微納結構后，程序自動將熔融靜電打印噴頭切換到溶液打印噴頭，溶液打印噴頭將步驟2)中的明膠和瓊脂糖混合溶液填充進步驟6)中所得的三維微納結構，如圖2所示；溶液填充高度稍微低于三維微納結構的高度，以保證后續打印的三維微納結構和該部分三維微納結構能夠充分粘連，將溫度降低至18℃以下使其成膠，形成新的接收平臺，將熔融打印噴頭與接收平臺之間的距離調高一個膠體的厚度：1mm；

8)根據控制移動平臺的程序，自動重復步驟6)和步驟7)，直到三維微納結構的高度達到所需高度：5mm，得到三維微納結構與電介質溶以及水凝膠的復合結構，如圖3所示；

9)將步驟8)中得到的復合結構放入50℃溫水中浸泡2小時，便可以將明膠和瓊脂糖去除，得到大高度三維微納結構，三維微納結構的高度大約為5mm，如圖4所示。

技術特征：

技術總結
一種大高度微納結構的三維熔融靜電打印方法，先在計算機上編制出控制平臺移動的程序，選擇用于填充的含有導電介質溶液和熔融靜電打印材料，并將其分別裝入含多個噴頭的熔融靜電打印裝置的注射器中,然后選擇熔融靜電打印參數，通過熔融靜電打印得到設定厚度的三維微納結構，將含導電介質溶液填充進三維微納結構，利用溫度交聯和化學交聯的方法使其成膠，使得熔融靜電打印接收平臺升高，將熔融打印噴頭與接收平臺之間的距離調高一個膠體的厚度，如此反復，直到三維微納結構的高度達到所需高度，實現熔融靜電打印大高度的三維微納結構，本發明克服傳統熔融靜電打印工藝中電場隨高度升高而衰減的缺點，可廣泛應用于微納米器件、組織工程等領域。

技術研發人員：賀健康;夏正勛;李滌塵;劉亞雄;王玲;連芩
受保護的技術使用者：西安交通大學
技術研發日：2017.04.26
技術公布日：2017.07.14